嗅觉识别分子基础的研究进展

嗅觉识别分子基础的研究进展

0感悟系统的信号转换感觉系统是感觉神经系统的重要组成部分。嗅觉对动物来说具有很重要的意义。动物利用嗅觉来寻找食物,标记领地,识别同类,并躲避天敌。人类与其他动物一样,可以分辨自然界中的上万种气味。我们是怎样识别这些气味的呢?在嗅觉系统中,嗅觉信号是逐级传递的,外周的感受器接受嗅觉刺激后,经过多级神经元的传递将信号传给嗅觉中枢,在中枢形成对气味的识别和认知。在感觉系统的信号处理中存在两个基本问题:1)外周的感觉神经元怎样编码感觉刺激;2)感觉信号是如何逐级传递的。嗅觉系统与其它感觉系统一样,能够识别和分辨大量的外界刺激。但嗅觉刺激也有其特殊性,嗅觉信号很难用一个或几个参数来描述,自然界的成千上万种气味处于一个大维度不连续的空间中。为了适应气味分子的复杂性,嗅觉系统发展出了数量众多的气味受体。每个嗅感觉神经元只表达一种特定的气味受体[1~3]。这些受体接受气味刺激后,将信息以一种高度精确的方式投射到嗅球中。表达一种气味受体的嗅感觉神经元投射到嗅球中的一到两个嗅小球中,使得一个嗅小球只接受来自一种气味受体的输入[4~7]。嗅球中的细胞对这些信号进行处理后,将之传递给更高级的嗅皮层。本文将从嗅球的细胞类型、气味呈递方式、神经环路,以及高级中枢对嗅球的调节等几个方面,概述嗅球的信号处理过程。1嗅球中的神经元嗅球是嗅觉系统的第一级中转站,它是一个层状结构,由外到内可分为六层:嗅神经层(olfactorynervelayer,ONL)、突触球层(glomerularlayer,GL)、外丛状层(externalplexiformlayer,EPL)、僧帽细胞层(mitralcelllayer,MCL)、内丛状层(internalplexiformlayer,IPL)和颗粒细胞层(granulecelllayer,GCL)。嗅球中的神经元可以分为投射神经元和中间神经元两大类。其中投射神经元包括僧帽细胞(mitralcell)和丛状细胞(tuftedcell),中间神经元包括球周细胞(periglomerularcell)、颗粒细胞(granulecell)和短轴突细胞(shortaxoncell)。这些细胞在嗅球中所处的位置和发挥的作用各不相同。图1显示了嗅球的解剖结构,各类细胞在嗅球中的分布,以及它们之间的相互作用。1.1种外丛状细胞间的检查僧帽细胞和丛状细胞是嗅球的投射神经元,这两种神经元都使用谷氨酸作为神经递质。僧帽细胞的胞体位于僧帽细胞层,而丛状细胞的胞体位于外丛状层和更浅的突触球层。这两种细胞具有不同的树突和轴突投射模式,且表达不同的标记分子。僧帽和大部分丛状细胞都有一根顶树突和几根二级树突。顶树突直径通常为3~7μm,垂直穿过外丛状层伸入单个嗅小球中,并在嗅小球中大量分支。二级树突分布在外丛状层,平行于僧帽细胞层放射状地伸展,长度可以达到几百微米。单个僧帽细胞二级树突的总长度可以达到16,000μm。丛状细胞中有一类外丛状细胞,它们没有二级树突。全细胞膜片钳的记录表明,外丛状细胞呈现有节律的簇状放电,将突触传递阻断后簇状放电仍然存在。这种簇状放电模式可能是由一个持续性的钠电流,T-型钙电流和钙激活的钾电流共同介导的。内源性的GABA和谷氨酸可以调节簇状放电的频率。僧帽/丛状细胞的顶树突与嗅感觉神经元的轴突形成轴-树突触,二级树突则与颗粒细胞形成树-树交互突触。僧帽/丛状细胞的树突可以释放神经递质,这种释放依赖于胞内的钙浓度。这与轴突的递质释放机制十分相似。僧帽/丛状细胞的树突还可以通过递质外溢(spillover)的形式检测自身或周围的僧帽/丛状细胞释放的谷氨酸。僧帽/丛状细胞的树突表达GABAA受体,以及离子型和代谢型的谷氨酸受体。僧帽/丛状细胞的顶树突拥有高密度的钠通道,动作电位在顶树突上的传播几乎不存在衰减。二级树突也可以主动传播动作电位,但是传导速度只有顶树突的10%。单个动作电位在二级树突传播时幅度会发生衰减,因此远端的树突产生去极化释放递质的几率很小。动作电位在二级树突上的传播是可以被调节的,它传播的距离会受僧帽/丛状细胞的电活动以及嗅球内神经网络的影响。僧帽细胞和丛状细胞在嗅觉中枢的投射区域有所不同,僧帽细胞主要投射到前嗅核(anteriorolfactorynucleus,AON)、嗅结节(olfactorytubercle,OT)和整个梨状皮层(piriformcortex,PC);而丛状细胞主要投射到前嗅核、嗅结节、嗅叶(olfactorypeduncle,OP)和前梨状皮层(anteriorpiriformcortex,APC)。1.2克氏原螯虾中的gaba信号颗粒细胞是一种没有轴突的中间神经元,它是嗅球中数量最多的神经细胞。这些细胞的胞体很小,主要分布在颗粒细胞层。它们使用GABA作为神经递质。颗粒细胞在成年动物中可以不断更新,因此在嗅球中同时存在处于不同成熟阶段的颗粒细胞。颗粒细胞的树突垂直地伸入外丛状层,之后在水平方向上分支30~200μm。这些树突都很细,直径在1μm左右,树突上布满了树突棘。颗粒细胞的树突上表达电压依赖的钙通道,钙内流可以导致神经递质GABA的释放。除此之外,颗粒细胞的树突上还有NMDA受体,通过此受体介导的钙内流也可导致GABA的释放。这两种释放机制的作用时间不同,因而导致了GABA不同步的释放,使得树-树突触的抑制作用时程很长。颗粒细胞除了与僧帽/丛状细胞的树突形成突触外,还与僧帽/丛状细胞的轴突和其他中间神经元形成突触连接。除此之外,大量来自蓝斑核(locuscoeruleus,LC)和斜角带核水平支(horizontallimbofdiagonalband,HDB)的离心纤维也与颗粒细胞形成联系,介导了中枢对嗅球的调节作用。位于嗅小球层的中间神经元主要是球周细胞。球周细胞的胞体很小,直径在6~8μm。大部分球周细胞的树突集中在一个嗅小球内,轴突则伸向周围的嗅小球。少部分球周细胞的树突分布在两个嗅小球中。球周细胞的电生理特性与外丛状细胞很不一样,它们不产生节律性的簇状放电,而是表现出紧张性放电(tonicfiring)的模式。小部分球周细胞直接接受嗅感觉神经元的输入,而大部分接受僧帽/丛状细胞的输入。免疫组化实验证明部分球周细胞表达谷氨酸脱羧酶(glutamicaciddecarboxylase,GAD),它们使用GABA作为神经递质;而另一些细胞则表达酪氨酸羟化酶(tyrosinehydroxylase,TH),多巴胺是它们使用的神经递质。有一部分球周细胞既表达GAD也表达TH,在这些细胞中GABA和多巴胺可以共释放。短轴突细胞在嗅球中是一种研究得比较少的中间神经元。这类细胞的分布很广泛,存在于嗅球的各个层中。在嗅小球层,短轴突细胞的树突可以覆盖几个嗅小球,它们的轴突可以投射到几百微米之外。这些细胞被认为不直接接受来自嗅神经的输入。它们很可能使用谷氨酸作为神经递质。2嗅球的激活模式在小鼠中,每个嗅球包含大约1,800个嗅小球,在大鼠中这个数字是2,400~4,200,每个嗅小球与10~20个僧帽细胞和50~70个丛状细胞形成突触联系。嗅小球既是嗅球中的结构单元,也是功能单元。由于一个嗅小球只接受表达一种气味受体的嗅感觉神经元的投射,因此一个嗅小球的气味感受域(molecularreceptiverange,MRR)代表了一种气味受体的感受域。目前对嗅小球气味感受域的研究显示,一种气味分子能够激活固定的一些嗅小球,不同的气味分子激活不同的嗅小球的组合,这种气味引起的嗅小球的激活模式在同种动物的不同个体上具有保守性。很多实验数据表明,嗅小球是传递嗅觉信息的功能单元。采用电生理记录、分子标记和光学成像的方法都可以观察到嗅小球可被特定的气味所激活,不同的嗅小球有其特异的气味激活模式。有几种光学成像的方法可以用于研究嗅小球对气味的反应。这些方法包括:2-脱氧葡萄糖的摄取(2-deoxyglucoseuptake)[23~25]、内源信号成像(intrinsicsignalimaging)[26~30]、钙成像和电压敏感的染料成像。这些成像方法都显示嗅小球对气味的反应呈现浓度依赖性,且一个嗅小球倾向于对具有同一官能团的气味分子反应。部分嗅小球甚至能够区分同分异构体。最早检测气味刺激引起嗅小球激活模式的实验是测定2-脱氧葡萄糖(2-DG)摄取的方法。这种方法是根据神经元放电增加时对葡萄糖的摄取量会增加的原理,通过测量2-DG的摄取量来指示神经元的反应。早期的2-DG实验证明了一种气味分子在嗅球中能引起特定的嗅小球激活模式,为嗅球中存在一种空间编码模式提供了证据。内源信号成像的原理是基于脑组织在不同的状态下会呈现不同的光学特性,这种光变化是由血红蛋白的光吸收、光散射,或其他原因引起的。我们可以在给气味刺激的时候,隔着脑膜或者磨薄的头骨监测光变化,由此来显示嗅小球的活动。这种成像方法有其缺点,它获得的信噪比一般比较低,信号与神经元的电活动之间没有直接的联系,也不能区分信号来源于哪些类型的神经元。但是内源信号成像还是为研究嗅小球的反应模式和感受域提供了一个简便而有效的方法。Uchida等人在大鼠背侧嗅球进行了内源信号的光学成像。他们选择了40种具有不同官能团和碳链长度的有机物作为气味刺激。他们发现,大鼠背侧嗅球可以分成两个功能不同的区域,这两个区域分别被醛类和酮类分子激活。在这两个区域之内,不同的嗅小球还会被具有不同碳链长度和不同支链的分子激活。这种大的功能域和小的亚功能域构成了嗅球的空间编码方式。他们由此提出一种观点,认为拥有相似感受域的嗅小球在空间上离得很近,形成一个大的功能集合,用于检测一类气味分子。这种观点随后受到了挑战,Soucy等人用同样的方法检测了大量的嗅小球对100种气味刺激的反应,发现嗅小球间气味反应的相关性与它们之间的距离无关,相邻的嗅小球对气味的反应并没有特别高的相似性。这个结果表明之前发现的功能域很可能只在一个很大的空间范围内存在,当空间分辨率提高到几个嗅小球的距离时,这种精确的化学图谱就消失了。嗅小球内部的信号包含突触前和突触后两个成份。2-DG成像和内源信号成像都不能区分这两个成份。但是利用钙染料就可以做到这一点。如果把钙染料特异性地注入嗅感觉神经元中,就可以在嗅小球中获得突触前的信号。大部分实验证明,这种由突触前信号决定的嗅小球激活模式与内源信号成像得到的激活模式非常相似。同样地,将钙染料特异性地注入突触后的投射神经元中,就可以得到纯粹的突触后信号。对蜜蜂嗅小球中突触后成份的钙成像表明,突触后的激活模式与嗅小球总的激活模式相比有显著差异。突触后成份的感受域要小于该嗅小球总反应的感受域,抑制性的突触连接参与了对突触后信号的修饰。另一个小组对G-CaMP果蝇的研究则显示,在果蝇的嗅小球中,突触前和突触后的激活模式相似,作者认为这一结果提示前一级的嗅感觉神经元将嗅觉信息可靠地传递给了后一级的投射神经元,后一级神经元并没有对这些信息做更多的处理。在哺乳动物中,针对嗅小球突触后成份进行成像的实验很少。利用在僧帽细胞中特异性地表达G-CaMP2的转基因小鼠,可以研究嗅小球突触后成份的感受域。使用电穿孔法把钙染料注入一个嗅小球中,与这个嗅小球连接的突触后细胞就会摄入钙染料。通过这种办法可以对突触后的细胞进行钙成像,用以检测不同种类的突触后神经元对气味的反应及其感受域。3树-树突连接由于与同一个嗅小球形成联系的僧帽/丛状细胞只接受来自一种受体的输入,因此嗅小球和与之连接的僧帽/丛状细胞组成了嗅球中信号处理的基本单元。连接同一个嗅小球的僧帽细胞之间没有直接的突触联系,它们通过电突触互相连接。嗅球内部存在着大量的中间神经元,这些细胞与僧帽/丛状细胞一起构成了嗅球中复杂的神经环路,介导了嗅球内部的相互作用。球周细胞与同一嗅小球内的僧帽/丛状细胞的顶树突形成树-树突触,与嗅小球外的细胞形成轴-树突触,还与嗅感觉神经元的轴突形成树-轴突触。颗粒细胞与僧帽/丛状细胞的二级树突连接,形成交互性的树-树突触。从树突野的范围和连接来看,球周细胞和颗粒细胞的区别在于,球周细胞的树突介导的是邻近嗅小球的相互作用,而颗粒细胞可以介导空间上相距较远的嗅小球间的相互作用。3.1胞外给nmda受体的抗剂及其同步性在僧帽细胞上存在自兴奋和自抑制两种现象。最早证明存在自兴奋的实验是在海龟上进行的。在海龟的嗅球中,向单个僧帽细胞注入一个去极化的电流,可以引起谷氨酸受体介导的后去极化。这种自兴奋对TTX不敏感,它是由NMDA和AMPA受体共同介导的。自兴奋在顶树突和二级树突上均可以观察到,它可以导致僧帽细胞长达几百毫秒的放电。除了自兴奋以外,僧帽细胞的去极化还可以导致自抑制。自抑制是由颗粒细胞与僧帽细胞之间的交互突触介导的。僧帽细胞树突上释放的谷氨酸可以导致颗粒细胞释放GABA,GABA反过来抑制僧帽细胞。自抑制可以完全被NMDA受体的拮抗剂DL-AP5所阻断,AMPA受体基本不参与此过程。刺激嗅小球中的单个僧帽细胞,可以在支配同一嗅小球的其他僧帽细胞上记录到一个域下的突触后电位,这个电位可以被AMPA受体的拮抗剂NBQX所阻断,而NMDA受体和GABAA受体的拮抗剂对其没有作用。胞外给NMDA可以引起连接同一嗅小球的僧帽细胞同步的放电,这种同步性在连接不同嗅小球的僧帽细胞中很弱。一般认为连接同一个嗅小球的僧帽细胞之间的兴奋偶联是通过两种机制实现的:一是通过不同僧帽细胞之间的缝隙连接产生兴奋偶联;二是兴奋性神经递质谷氨酸的外溢造成多个僧帽细胞同时被激活。实验证明电耦合直接导致了不同僧帽细胞放电同步性的产生。Cx36是缝隙连接蛋白(connexin,Cx)家族的成员之一,它在中枢神经系统有广泛的表达。Cx36在嗅球的突触球层也有表达。Cx36缺失的小鼠没有直接的电突触,连接同一嗅小球的僧帽细胞也没有同步化的放电。免疫电镜的结果表明电突触存在于僧帽细胞位于嗅小球内的树突上。AMPA受体介导的僧帽细胞间的作用,也可导致连接同一嗅小球的僧帽细胞的同步放电,而一种更慢的同步性的去极化网络,使得僧帽细胞对气味的反应与呼吸节律偶联在一起。在大鼠的嗅球脑切片上电刺激嗅神经,可以引起僧帽细胞膜电位的振荡,这种去极化的膜电位振荡频率在2Hz左右。在连接同一嗅小球的两个僧帽细胞上可以观察到同步的膜电位振荡,连接不同嗅小球的僧帽细胞间没有这种同步性。阻断谷氨酸的摄取可以延长僧帽细胞膜电位去极化的时间,而阻断NMDA受体则可以缩短去极化的时间。突触前长时程的谷氨酸释放导致了突触后膜电位的振荡,突触后同步性的振荡又使得细胞的放电被偶联。这种振荡的频率正好与动物呼吸的频率相符,因而导致僧帽细胞对气味的反应与呼吸节律同步。3.2动作电位在僧帽细胞侧抑制的作用除了连接同一嗅小球的僧帽细胞之间存在相互作用以外,连接不同嗅小球的僧帽细胞之间也有相互作用。球间的回路主要由僧帽细胞和颗粒细胞之间交互的树-树突触构成。单个僧帽细胞与其突触后的颗粒细胞之间存在交互突触,而颗粒细胞又通过交互突触与其他的僧帽细胞相连。这种突触连接有几个功能:1)颗粒细胞介导的侧抑制可以使僧帽细胞的感受域变小;2)交互突触参与了嗅球内部震荡的形成,从而使得僧帽细胞的放电同步化;3)这些突触可能用于储存嗅觉记忆。交互突触的递质传递是不依赖于动作电位的。使用TTX将动作电位阻断后,仍可观察到僧帽细胞间的侧抑制现象,而NMDA受体的拮抗剂可以阻断侧抑制。在体状态下,给予气味刺激可以使颗粒细胞发放动作电位,这暗示着颗粒细胞介导的侧抑制存在两种不同的机制。在没有动作电位发放的状态下,突触的传递只能使很小的一块突触后区域释放GABA;而一旦发放了动作电位,整个颗粒细胞的所有突触后区域都能释放GABA,这样能够形成更广泛的侧抑制。僧帽细胞与颗粒细胞之间树-树突触介导的递质传递,使得它们之间呈现一种动态连接。当连接同一嗅小球的僧帽细胞接收到一个强烈的输入时,与这些僧帽细胞形成连接的颗粒细胞会被激活,从而释放GABA产生侧抑制。由于靠近僧帽细胞胞体的颗粒细胞最先被激活,它们产生的侧抑制使得下一个动作电位在僧帽细胞中无法传至远端的二级树突。这样又使得远端的颗粒细胞不能有效地被激活,从而释放对远端树突的侧抑制。因此动作电位在僧帽细胞二级树突上的传播就受到了动态的调控。由于侧抑制的时程很慢,大约在僧帽细胞放电后的50~250ms内产生,因此可以有效地抑制周围激活较慢的僧帽细胞。僧帽细胞侧抑制的强度受到突触后放电频率的调控。当僧帽细胞放电频率在25~65Hz之间时,受侧抑制的影响最强。计算机模拟的结果显示,这种动态的调节模式可以使活动相似的僧帽细胞相关性降低,由此增强对比度。因为侧抑制的广泛存在,一直以来,嗅球都被认为对气味的编码起到了锐化的作用。早在1995年,Yokoi等人就在成年家兔的嗅球中记录到了僧帽/丛状细胞的气味感受域。他们通过检测僧帽/丛状细胞对9种具有不同碳链长度的醛类分子的反应,发现僧帽/丛状细胞对气味的反应有选择性,且既有兴奋性的反应也有抑制性的反应。在嗅球内给CNQX和bicuculline,均可以阻断抑制性的气味反应。因此他们提出一个模型,每个嗅小球可以对一系列气味起反应,而抑制性的输入使得僧帽/丛状细胞对这些气味的选择性变高,感受域变窄。在这之后有很多的实验数据支持这一观点,包括在小鼠嗅球内证明了僧帽细胞对气味确实具有很高的选择性,以及侧抑制在嗅球内的广泛存在。对上述模型进一步的修正产生了一个新的模型。由于僧帽细胞的反应由嗅感觉神经元的兴奋性输入和中间神经元的抑制性输入两个因素决定,两者的互相拮抗导致了在嗅球中只有那些被强烈激活的受体才能把信号传到下一级,而较弱的信号在嗅球中会迅速地衰减,无法传递到嗅皮层。另一方面,由于连接同一嗅小球的僧帽细胞对气味的反应具有同步性,这使得它们的输出被偶联起来,能够更可靠地激活下一级嗅皮层的神经元,从而保证了信号的传递。4基于药物作用机制的突前抑制反应嗅球对来自嗅上皮信号的另一个处理方式是,抑制突触前嗅感觉神经元的递质释放。这种反馈的信号处理模式在哺乳动物、爬行动物和节肢动物中广泛存在。在哺乳动物的嗅球中,GABA能和多巴胺能的信号通路都参与了突触前抑制的形成。在嗅感觉神经元的轴突末梢表达GABAB受体和D2多巴胺受体。GABAB受体是GABA受体的一种,它是一种G蛋白偶联受体,与Gi偶联,被激活后导致钾离子通道的开放,从而使细胞超极化。在大鼠嗅球中,给予GABAB受体激动剂可以抑制刺激嗅神经而引起的突触后电位,而GABAB受体的拮抗剂可以使僧帽/丛状细胞对嗅神经刺激的反应增加。这些药物都会影响僧帽/丛状细胞的pair-pulsedepression(PPD),这说明药物的作用机制是在突触前。电压敏感染料的光成像实验也显示,GABAB受体的激动剂可以显著减小嗅神经刺激所导致的突触后信号。这种作用的机制是,位于嗅小球层的GABA能的球周细胞介导了对嗅神经末梢的突触前抑制。这些神经元直接或间接地被嗅感觉神经元兴奋,然后释放GABA,作用于嗅感觉神经元轴突末梢上的GABAB受体,使得突触前的释放减少。球周细胞除了释放GABA之外,还可以释放多巴胺。多巴胺的受体可分为D1和D2两个家族。嗅感觉神经元表达的D2受体属于D2家族,D2受体也是一个与Gi偶联的G蛋白偶联受体,被激活后可以调节钾通道的通透性。嗅小球层的场电位(fEPSPs)记录表明,激活D2受体可以抑制嗅神经的突触传递。进一步的实验证明,多巴胺可以抑制刺激嗅神经所引起的僧帽细胞的放电频率,D2受体的激动剂也可产生相同效果。同时多巴胺还可以抑制刺激嗅神经引起的球周细胞的兴奋性突触后电流(EPSCs)和自发的EPSCs。在D2受体敲除的小鼠中,多巴胺的作用消失。这些实验都有效地证明了多巴胺能的球周细胞通过释放多巴胺,作用于突触前的D2受体,从而抑制嗅感觉神经元的递质释放。在体情况下,嗅神经接受很强的来自同一嗅小球的抑制,而不同嗅小球间的抑制作用则很弱。在体连续电刺激进入同一个嗅小球的两束嗅神经纤维,可以观察到第二个刺激引起的递质释放小于单独刺激第二束纤维引起的释放。这种现象可以分别被谷氨酸受体和GABAB受体的拮抗剂阻断。在体内给予GABAB受体的拮抗剂,可以增加气味刺激所起的递质释放,但对嗅小球激活的空间模式没有影响。气味刺激的强度和动物呼吸的频率变化都不会影响GABAB受体介导的突触前抑制,这提示了突触前抑制并不是活动依赖的,它调节的是整个嗅球的输入强度。因此,在嗅球处理气味信号的过程中,突触前抑制可能起到增益控制(gaincontrol)的作用,使得特定强度范围内的信号得以在嗅球中传递下去,而太弱或者太强的信号将会被减弱而无法准确地传递到下一级。5短轴突细胞间的互动关系短轴突细胞在嗅球信号处理中的作用被研究得很少,通常认为它们有两个作用:分布在嗅小球层的短轴突细胞介导中心-周围抑制(center-surroundinhibition);分布在颗粒细胞层的短轴突细胞则介导了对颗粒细胞的前馈抑制(feedforwardinhibition)。在嗅小球层,球间的连接和相互作用是广泛存在的。大量的球旁细胞参与了嗅小球之间的连接。分布在此层的短轴突细胞被认为是兴奋性的,它们接受来自嗅小球的输入,再将轴突投射到附近20~30个嗅小球之外,与抑制性的球周细胞形成突触联系,由此介导对周围僧帽细胞的抑制。在颗粒细胞层,存在着一种短轴突细胞,叫blanescell,它们与抑制性的颗粒细胞形成突触连接。刺激嗅神经可以兴奋这些细胞,从而介导前馈的抑制。6嗅球细胞的同步性嗅球作为嗅觉信息的中转站,具有很高的可塑性,它受到大量嗅觉经验的调控。嗅觉的信息传递通路与其他感觉系统的不同之处在于缺少丘脑的传递,嗅球不经过丘脑而直接投射到了嗅皮层。有观点认为,嗅球可以起到和丘脑相似的闸门控制的作用。嗅球细胞对气味的反应很容易受到嗅觉经验的调控,给予动物20分钟的气味刺激,就可以减少被该气味刺激兴奋的僧帽细胞数量,同时增加被此气味抑制的僧帽细胞数量。在麻醉动物中,给予一分钟的气味刺激就可以改变僧帽细胞的气味感受域。嗅球对气味的反应还可以受到联合型学习的调节。母羊在生下小羊后,可以通过增加嗅球中对小羊气味反应的细胞数量来选择性地识别自己的小羊。将气味与奖赏联系起来的学习方式也可以改变嗅球的状态。在训练大鼠完成一个对两种气味二选一的选择任务时,嗅球内γ振荡的能量会显著增加,而嗅皮层的γ振荡却没有发生变化。当任务的难度增加时,γ振荡的能量也会随之增加。由于γ振荡反映了嗅球中神经元放电的同步性,因此这些结果提示我们,嗅球细胞放电的同步性对于动物分辨不同的气味是很重要的。计算机建模的结果也显示,神经元对感觉刺激反应的同步性有助于提高嗅球区分气味的能力。嗅觉经验还可以通过调节嗅球中的新生神经元来影响嗅球细胞对气味的反应。嗅球中存在大量的抑制性神经元,这些细胞在成年动物中可以不断更新。新生的神经元沿着嘴侧迁移流(rostralmigratorystream,RMS)向嗅球迁移,到达嗅球后分化为成熟的颗粒细胞和球周细胞。这些新生的神经元整合到嗅球中后,可以改变嗅球原来的神经网络。嗅觉经验的剥夺可以影响嗅球中新生细胞的存活,而嗅觉经验的丰富可以增加新生细胞的数量,增强它们对气味的反应。中枢的下行投射也可以影响嗅球中新生神经元的存活。7释放神经递质和神经调质嗅球接受大量来自中枢的下行投射,这些投射是调节嗅球的神经环路和细胞反应的一个重要途径。离心纤维(centrifugalfiber)可以分为两类,一类释放神经递质,来源于嗅皮层;另一类释放神经调质,如去甲肾上腺素、五羟色胺、乙酰胆碱等。有很多实验证据表明,来自中枢的下行投射与嗅觉记忆的获得相关。由于这些离心纤维的末梢终止于嗅球的不同层,因此这些投射的作用可能是多种多样的。7.1嗅皮质的下行映射嗅球中的大量离心纤维来自于嗅皮层区域,包括前嗅核(AON)、盖带(teniatecta,TT)、梨状皮层(PC)、皮质杏仁核(corticalamygdaloidnucleus,CAN)和外侧嗅束核(nucleusofthelateralolfactorytract,NLOT)[75~78]。来自于嗅皮层的离心纤维主要终止于颗粒细胞层和外丛状层,它们与颗粒细胞近胞体的树突形成兴奋性的突触连接。由于嗅皮层的细胞直接接受嗅球的输入,因此来自嗅皮层的下行投射通常被认为起到了反馈的作用。但是这种反馈投射在拓扑结构上不具有点对点的对应性,嗅皮层接受嗅球的输入可能是高度汇聚的,而它们向嗅球的投射却是发散性的。在大鼠脑中单侧损毁从嗅皮层到嗅球的投射纤维,可以导致嗅球和梨状皮层中气味刺激引起的β振荡的幅度减小,而γ振荡的幅度增加。由于之前Martin等人发现嗅觉的学习可以导致嗅球中β振荡的增强,这就提示了嗅皮层的下行投射可能与嗅觉学习相关。而后来Kiselycznyk等人发现,用电损毁的办法切断嗅皮层到嗅球的离心纤维,动物不能学会将气味与奖赏联系起来,但动物对两种气味的分辨能力不受影响。这个结果更进一步证明了嗅皮层的下行投射参与了嗅觉学习的过程。7.2去甲肾上腺素系统蓝斑核(locuscoeruleus,LC)向嗅球提供去甲肾上腺能的输入。蓝斑核的细胞在嗅球中的投射分布很广,大部分的轴突末梢分布在内丛状层和颗粒细胞层,还有一些分布在僧帽细胞层和外丛状层,少部分位于嗅小球层。原位杂交实验能够在嗅球中检测到α-2C和β2肾上腺素受体的mRNA。激活蓝斑核可以增强较弱的嗅神经刺激所引起的僧帽细胞的反应。全细胞电压钳记录显示,去甲肾上腺素、苯肾上腺素和异丙肾上腺素,都可以在僧帽细胞上诱导内向电流。这表明僧帽细胞上有肾上腺素的不同受体,去甲肾上腺素通过与其受体结合直接兴奋僧帽细胞。Jahr和Nicoll发现去甲肾上腺素通过抑制颗粒细胞的放电,而使僧帽细胞的放电增加,这种去抑制的作用增强了嗅神经到僧帽细胞的突触传递。进一步的实验表明,低浓度的去甲肾上腺素通过作用于突触前的α2肾上腺素受体来抑制僧帽细胞的sIPSC和mIPSC;而中等浓度的去甲肾上腺素则可以激活α1肾上腺素受体,从而增加sIPSC和mIPSC;高浓度的去甲肾上腺素激活β肾上腺素受体,增加sIPSC但对mIPSC没有影响。由此可见,去甲肾上腺素的浓度对嗅球中的抑制性突触有一个动态的调节作用,通过改变蓝斑核的输入强度,可以对嗅球的信号处理产生不同的影响。去甲肾上腺素系统与嗅觉认知和嗅觉记忆有关。在母羊脑中损毁蓝斑核会影响母羊对新生小羊的识别。阻断嗅球中的α和β肾上腺素受体会影响动物对相似气味的分辨能力。另一个研究显示,只阻断嗅球中的α1肾上腺素受体就可以影响气味的识别,而奖赏驱动的气味识别不受去甲肾上腺素系统的影响。将蓝斑核的刺激与气味刺激偶联起来,可以导致嗅球细胞对该气味的反应习惯化,这种偶联还可以导致动物在行为水平上对尿液刺激的习惯化。当模拟动物呼吸的频率给予嗅神经刺激时,去甲肾上腺素可以长时程地增强嗅球中的γ振荡,这种增强可以持续一个小时。嗅球细胞同步性的增加被认为有助于嗅觉记忆的形成。7.3羟色胺对嗅球的影响嗅球中的五羟色胺纤维来源于中缝背核(dorsalraphenucleus,DR)和中缝正中核(medialraphenucleus,MnR)。中缝核投向嗅球的纤维主要终止于嗅小球层,在其他各层也有分布,但数量比较少。五羟色胺能的神经纤维在嗅球中的分布,随着发育的进程而发生变化。在发育早期,五羟色胺纤维在嗅球各层数量相当,从出生后第二周起,五羟色胺纤维在嗅小球层的数量大大增加。多种五羟色胺的受体在嗅球中表达。5-HT1A和5-HT1B受体分别在外丛状层和颗粒细胞层表达;5-HT2A和5-HT2C受体主要分布在嗅小球层、颗粒细胞层和僧帽细胞层[101~103]。电生理的实验表明,五羟色胺可以通过5-HT2C受体导致球周细胞的去极化,通过5-HT2A受